CC BY
17Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, 10(3), 317-326
УДК 669.717
Influence of Nanoparticles on the Structure and Mechanical Properties of Aluminium Alloys
Pavel O. Sukhodaev*a, Victor E. Redkina, Tatyana A. Bogdanovab and Victor A. Kuznetsovc
aSiberian Federal University 28 Kyrenskogo Str., Krasnoyarsk, 660074, Russia
bLtd. "K&K"
42 Pogranichnikov Str., Krasnoyarsk, 660111, Russia cLtd. "Nanomodified metals and alloys" 18 Injenernaya Str., Novosibirsk, 630090, Russia
Received 28.04.2016, received in revised form 24.11.2016, accepted 18.02.2017
The article considers influence of nanoparticle additions on structure and mechanical properties of aluminium alloys Al99.7 and AlSi12. Powders for casting strengthening have been selected according to results of the intramold modification. The samples with refined grain size, improved hardness and strength have been obtained.
Keywords: casting, composite materials, nanoparticles, nanopowders, modification, macrostructure, microstructure, hardness, strengthening.
Citation: Sukhodaev P.O., Redkin V.E., Bogdanova T.A., Kuznetsov V.A. Influence of nanoparticles on the structure and mechanical properties of aluminium alloys, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2017, 10(3), 317-326. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-3-317-326.
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: entro34@gmail.com
Влияние наночастиц на структуру и механические свойства алюминиевых сплавов
П.О. Суходаева, В.Е. Редькина, Т.А. Богданова6, В.А. Кузнецов"
аСибирский федеральный университет Россия, 660074, Красноярск, ул. Киренского, 28
бООО «КиК»
Россия, 660111, Красноярск, ул. Пограничников, 42 вООО «Наномодифицированные металлы и сплавы» Россия, 630090, Новосибирск, ул. Инженерная, 18
В статье рассмотрено влияние добавок нанопорошков на структуру и механические свойства сплавов алюминия АК12 и А7. По результатам внутриформенного модифицирования выбраны порошки для упрочнения отливок. Получены образцы с уменьшенным размером зерен, обладающие повышенной твердостью и прочностью.
Ключевые слова: литье, композиционные материалы, наночастицы, нанопорошки, модифицирование, макроструктура, микроструктура, твердость, упрочнение.
Введение
Развитие промышленности, появление более совершенной техники постоянно требуют создания новых высококачественных материалов. В последние несколько лет вместе с популяризацией нанотехнологий особенно усилился интерес к нанокомпозитам на металлической основе. Было предложено несколько способов получения сплавов, содержащих наночастицы (НЧ) в качестве упрочняющей фазы. Основное преимущество добавок НЧ (ех^йи) перед другими методами повышения прочности металлов, в частности выделения упрочняющей фазы из пересыщенных растворов, - это возможность контролируемого введения в матрицу новой фазы с нужной дисперсностью и морфологией. Теория и эксперимент показывают, что НЧ обладают преимуществом по сравнению с частицами микронного размера, позволяя более эффективно реализовать механизмы упрочнения металлов дисперсными включениями [1-4]. В качестве базового сплава для композитов широкого назначения особый интерес проявляется к алюминию как к металлу, широко применяемому в транспорте, авиастроении, космической технике и других областях, и обладающему высокой удельной прочностью.
Однако производство нанокомпозитов ограничивается сложностями, связанными с особенностями и свойствами материалов в наноразмерном состоянии. Прежде всего это затрагивает получение нанокомпозитов методами литья, где имеется специфика взаимодействия твердых частиц и жидкой матрицы на межфазной границе, проявляющаяся в образовании агрегатов под действием капиллярных и Ван-дер-Ваальсовых сил и в плохом смачивании, приводящим к отслоению НЧ от матрицы. Учитывая эти сложности, исследователи стремятся разработать различные технологии изготовления литых нанокомпозитов, в которых решается одна или несколько задач (повышенная прочность материалов, масштабность производства, экономическая эффективность, простота, технологичность и т.д. [2, 5, 6]). Тем не менее в боль- 318 -
шинстве работ по данной тематике используется небольшой набор нанопорошков, чаще всего представленный оксидом кремния, который характеризуется наименьшим углом смачивания жидким металлом. В результате ограниченным оказывается применение других перспективных наноматериалов - нанотрубок, наноалмазов, электровзрывных керамических порошков и др., содержащих частицы значительной прочности и высокой дисперсности.
В данной работе авторами использована технология внутриформенного модифицирования, позволяющая улучшить усвоение широкого спектра НЧ жидким алюминиевым расплавом и быстро оценить их влияние наструктуру отлитог о мета л ла [5]. В первойчасти экспериментов по этой отхнолсееиизготавливалиобрезцы литьем я песчаную формус еспользованием восьми видевпярошкое. Их атопоИ чостхв использонанием оотбранных пврошков отливали образцы о нокиль д ляитпытоний но тчнрдость.
1. Эксптртмечтальвая чаеоь
1.1. В^трвфоршеатеемаедифзцироаание п]яя лтогас е пеааасе^форм0
Технохтгил веунрифорнен нтзо вно^^ть^тия^шцы в расплав
непосредстоечнопрсзаливсе. Схчме яв^'^ш^^д^и]! 6-позиционняй ф(Ч]ис^:ы пчиввдене на рис. 1.
Металл дри тасо] ч^^з^е зеполняе т ^оч^ячя^, налыщоясо морификяторчм,что обеспечивает возможноеяьбыстрогт вопорненся о^из одязго чоошантгколтисх фодм. Филатуы предотвращают расплав он зкоpяенeняя.
Модификетор я виде етблетой гототтвлввтии пуа^^]^з1ас^емешавансо мтдного порошка марки ПМС-1 с исиолезуомымм наноплрошками в ]чаиoсoСíмеаонице с театние 5 мин в соотношении 5 к 1 по массе. Массу таблетки выбирали так, чтобы содержание порошков в матрице составляло 0,1 масс. %, при котором возможно достижение упрочнения без потери пластичности [7].
С помощью данного способа было получено 10 групп образцов, содержащих различные нанопорошки; состав модификаторов приведен ниже:
1) Медь, ПМС-1(без углкнодных добавок);2) медь+ технинеский углерод (ГОСТ 7885-86); 3) медь + техничоoкий углeсюдсзpмoтбытиoтaнный; 4) медв + мотгoдлойаыз углеродные на-
Рис. 1. Пресс-форма для изготовления литейных форм: 1 - керамические фильтры; 2 - модификатор в алюминиевой фольге; 3 - образец на растяжение; 4 - образец для микроструктурных и дюраметрических исследований и для проведения химического анализа
нотрубки (УНТ^ ин!^тит}^'^а1са'^ализаг^.Новосибирск ; 5) аедь + однослойные УНТ
производства компанни«ОсНсАа»; 6( е^^н^ь + ультрадисперафый алмазографннавый порошок детонационного синтеза, полученный по красноярской технологии (УДП-АГ - ТУ 40-206791001-91); 7) медь + ультрадисперсный алмазный порошок (УДП-А - по ТУ 3974-001-10172699-94); с) медь + карбид бора наноразмерный (СибГИУ г. Новокузнецк); 9) медь + механоактивирован-наьй срафьа(ИЦМИМ СФУ^ЮНьинтр олнныйафпнецбе з модпфикаторт.
Медь былпавпбьона как фнпотифн ыв(н нвгф«оФорныйпф«и рФал,анособаый эффективно нaнepaмФкeпpигoмoФЛ сшсраьой мельниц нтоулфчшает смачи-впнф) пофошков. К кнчесдам матричооов метаппа бы6неФалe«оюоналбакaлюминия с кремнием марки АК12. Температура сплава при разливке составляла 720 °С. После заливки и охлаждения заготовок из них вырезали образцы для исследования структуры и механиче-сних нвойвнв и.
Го всохоброанап, соднржащих НЧ,лаблюдаоось у монынение (^^з^л^^р^а ззапнСопределенное но ГОСТ Д10На.0-7а),велФнлна котв«о«п и «oэффицбаоамoдФа)ннбHоапгФбНааpeдставлены на рас ; 2о 3.
К
- D
7d ■
(1)
где D - величина зерна образца без модификатора (№10), мкм; d - величина зерна модифици-рованногообразца, мкм.
Видим, что наибольшего измельчения удалось достичь при использовании углеродных наноматериалов и карбида бора. Это можно объяснить тем, что данные материалы обладают наибольшей дисперсностью и при попадании в расплав создают большое количество центров кристаллизации.
При исследовании макроструктуры у некоторых образцов было выявлено наличие дефектов газоусадочного характера и неравномерность структуры в осевом направлении. Это связа-
Рис. 2. Величина зерна в структуре образцов
1,0 1,2 1,3 ■ 1,5 ■
1 1 1
без №1 медь №2i
модификатора
Многослойные нанотрубки
Рис. 3. Коэффициент K
ЖЩШШс^Х
ш
ЙНЯЙ
~тш&ЩЩ
.¡штт
•
ям
ШШ
Ж
lap
Ш
?ёШкА
м-
тшшштт
гЛШшл-
Рис. 4. Микроструктура базового(слева) имодифицированного наноалмазами(справа) сплаваАК12
но сотсутствиемперю мешивания,усвдцейприпитье чпесчануюрорму, наличпчм адсорбиро-ванныхгазовна повесености НЧ,пветсые неуспевпюывымхи до затвердеваете.
Микроструксуча ввевобрссцовпцедстталяеу стчукоуруснаумина устеуевпучсвгососта-ва, копвутя ачтвесчиз доли а-татунало есхтворачлюминих ицемодифисвровенсчй эвтектики (рис. 4).
Вырезка образцов для испытаний механических свойств после разрыва проводилась из «донной» части исследуемых образцов по 4 штуки от каждого. Результаты испытаний представлены на рис. 5. Исследование изломов разрывных образцов показало присутствие в структуре дефектов в виде пор, разрушения имеют идентичный хрупкий характер (рис. 6). Уровень относительного удлинения всех представленных образцов не превышает 2 %.
Из-за повышенного содержания адсорбированных газов в порошках с наивысшей удельной поверхностью - нанотрубках, карбиде бора и наноалмазах прочность образцов с этими модификаторами оказалась самой низкой из всех, несмотря на минимальный размер зерен, зафиксированный в этих образцах.
Рис. 5. Уровень механическихсвойствобразцов
Рис. 6. Изломы образцов после испытанийнаразрыв
1.2.Литъевкокилъ
Во втор й части экспериментов проводилось литье в кокиль. Из используем х порошков были отобраныУДП-А и УДй-АГ,при применении которых были получены хорошие результа-тыуменьшениязерна. Кроме того, эти материалы обладают относительно низкой стоимостью и могут производиться в больших масштабах по сравнению с нанотрубками. Также использовался оксид алюминия электровзрывного синтеза (производства Института сильноточной электроники, г. Томск).
Изучевпв граыунометртческого союпыва ^пг^п^алв^озыис^^опда апюмипоя проводилось пу-темвпоыпевио в дисыпвой цинтрифпиеСРЧ 2РО0й.Ч0мтор оын()вмннаредиментацииыоотиц в жидкосоп и oтличаeтcоoтчpи2Рпмчтодпо оысокпм paзыeшeниeм,тoчнocтьюиширoкимдиa-пазоном измерения. Главный элемент центрифуги - диск, в котором происходит осаждение суспензии исследуемого вещества от центра до края в центробежном поле сил, создаваемым вртщеаном с- ъкоросавюда 0п(Ю0 пм/мрп. Hыpиc.7пзeдcтaвионoоacпыздeиeниeIIOч2шка УМП-Ипочавмерам.
На распределении виден пик 12нминебольшойпик ближек начах° координат, который плюо]^^^]^^1^^ м надан нои рисунке.Если дсран ичить с^с^д. аб сциссоблаотыдвдачаидкоординат и растянуао,тодид оаоиаесуддо^1^я па есНгооддтси 13 издИраженный на рис. 8.
Здесь малый пик С ин ксрншдраздичик. Ондвеиоятио, г^]^]^^еос^оИтД1^еиодр^1^1^сс1^«^агреги-рОВНМныОаУНДицы [Т].
СУс рои. Т досдооавледо уоспиаделение оксида алюминия.
Наибильшиекндичестсодтстицнмндь имндоивойиой уизг - 1Р и20 кд.
Для литья использовался первичный алюминий марки А7, который нагревали в титановом тигле до температуры 790 °С, после чего в расплав помещали таблетку-модификатор, изготов-
0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 D.4 0.45 0.5
Диаметр, мкм Рис. 7. Гранулометрический состав порошка УДП-А
о.о о.« ото ооэ Q-cu 056 g.oo 007 с-00 ода g.i
Диаметр, мкм
Рис. 8. Гранулометрический состав порошка УДП-А(частьграфика до ОДмсм)
о с
CO JS -Û
I»
c;
dj Is
u о
X hO
0
i i---1-1-г---г---1-1---1
0.0 0.016 0.032 0.048 0.064 0.08 0.096 0.112 0.128 0.144 0,16
Диаметр, ал км
Рис. 9. Гранулометрический состав порошка АЦОз электровзрывного синтеза
ленную также, каи и пр и первом экспе римент е. Pacn лав выдержовили 15жиниз атем разливали в рдкикз. НРо вкемнвыдннжки модифизакорк астворялзо,иьезамбысо доатдтпчидвремени для выеьда из расилась.ОЬразцыотливр ливес дтумямьссрпымисодерасанримикаждосе порошка р 0,05ир,1%.
Макроструктура и размер зерен отлитых образцов приведен на рис. 1O и 11. В образце, содержащем НЧ А^Оз, удалось достичь 10-кратного уменьшения зерен.
УДП-А, M,M5 %
УДП-АГ, M,! %
УДП-АГ, M,M5 %
Контрольный
AI2O3, M,M5 %
AI2O3, M,! %
УДП-А, M,! %
Рис. 10. Макроструктура отлитых в кокиль образцов
Размер зерна в образцах проб
0,31 0,79
0,69
0,33
0.24 1
0.16 1 о,оа
■
А1203 0,1« контрольный УДП-АГ УДП-А 0,1» УДП-А 0,05« УДП-АГОД« AI203 0,05« 0,05«
Рис. 11. Размер зерна образцов
Таблица.Твердость образцов, отлитых в кокиль
Модификатор Контрольный образец УДП-А, 0,05 % УДП-А, 0,1 % УДП-АГ, 0,05 % УДП-АГ, 0,1 % AlA, 0,05 % AlA, 0,1 %
Твердость, HB 24,1 27,9 28,5 25,0 30,1 24,2 30,1
Пределпрочности ав-МПа (расчет) 87,2 101,0 103,2 90,5 109,0 87,6 109,0
Твёрдостьобразцов,измеренная по методу Бринелля, приведенав таблице. Втретьейко-лонке даны знечения временного соптетяваание, расеппоткные песогоношению [ 10р
<гв = 3,62НВ(МРа). (2)
Можно видеть, что все мздифицпрован ныеобркнцы о б лапают повышенной твёрдостью. Такимобразом, испвльзуемыз нтнвматераалыовлвютеоеффеотивными довавками для увеличено] ьвепоости(следовательно, и износостойкости) и механической прочности алюми-
Заключение
Исеведовёто аодифициравание озмтминиевых сплавов с помощью метода внутриформен-ного введения нанопорошков. Наиболее перспективные модификаторы были выбраны для получения упрочненных образцов.
При литье в кокиль с помощью добавок нанопорошков удалось достичь уменьшения размера зерна в полученных сплавах до 10 раз. Значения твердости, полученные в модифицированных образцах, на20-25 % выше,чем убазовогосплава.
Дальнейшие исследования могут быть направлены в сторону подбора оптимального гранулометрического состава нанопорошков, что может улучшить их инокулирующую способность [11] и в большей степени измельчить структуру.
- 325 -
Список литературы
[1] Goetzel C.G. Dispersion strengthened alloys: "The possibilities of light metals." Journal of metals, 1959, 11(3), 189-194.
[2] Крушенко Г.Г., Балашов Б.А., Василенко З.А., Фильков М.Н., Миллер Т.Н. Повышение механических свойств алюминиевых литейных сплавов с помощью ультрадисперсных порошков. Литейное производство, 1991, 4, 17-18 [Krushenko G.G., Balashov B.A., Vasilenko Z.A., Fil'kov M.N., Miller T.N. Increasing the mechanical properties of aluminium cast alloys via ultradisperse powders. Liteinoye proizvodstvo, 1991, 4, 17-18 (in Russian)]
[3] Zhang Z., Chen D.L. Contribution of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites. Materials Science and Engineering: A, 2008, 483, 148-152.
[4] Mirza F.A., Chen D.L. A unified model for the prediction of yield strength in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites. Materials, 2015, 8(8), 5138-5153.
[5] Кузнецов В.А. Влияние ультрадисперсных порошков тугоплавих материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов, автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2013, 26 с. [Kuznetsov V.A. The influence of refractory material ultra-disperse powders on properties of cast products from ferrous and non-ferrous metals and alloys, Thesis ... cand. of tech. Sci. Krasnoyarsk, 2013, 26 p. (in Russian)]
[6] Li X., Yang Y., Weiss D. Ultrasonic cavitation based dispersion of nanoparticles in aluminum melts for solidification processing of bulk aluminum matrix nanocomposite: Theoretical study, fabrication and characterization. AFS Transactions, 2007, 115(07-133), 249-260.
[7] Сабуров В.П., Черепанов А.Н., Жуков М.Ф., Галевский Г.В. и др. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов (Низкотемпературная плазма. Т. 12). Новосибирск: Наука, 1995. 344 с. [Saburov V.P., Cherepanov A.N., Zhukov M.F., Galevsky G.V., et. al. Plasma-chemical synthesis of ultra-disperse powders and their application for modification ofmetals and alloys (Low temperature plasma. Vol. 12). Novosibirsk: Nauka, 1995. 344 p. (in Russian)]
[8] Суходаев П.О., Богданова Т.А., Кузнецов В.А., Редькин В.Е. Литые композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные наночастицами. Евразийский союз ученых, 2014, 4(4), 117-120 [Sukhodaev P.O., Bogdanova T.A., Kuznetsov V.A., Red'kin V.E. Aluminium-based cast composite materials modified with nanoparticles. Eurasian union of scientists, 2014, 4(4), 117-120 (in Russian)]
[9] Ставер A.M., Губарева Н.В., Лямкин А.И., Петров Е.А. Ультрадисперсные алмазные порошки, полученные с использованием энергии взрыва. Физика горения и взрыва, 1984, 20(5), 100-104 [Staver A.M., Gubareva N.V., Lyamkin A.I., Petrov E.A. Ultra-disperse diamond powders, obtained with explosion energy application. Combustion, explosion and shock waves, 1984, 20(5), 100-104 (in Russian)]
[10] Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность. М.: Машиностроение, 1974. 368 с. [Fridman Y.B. Mechanical properties of metals. Part 2. Mechanical testing. Structural strength. Moscow: Mashinostroyeniye, 1974. 368 p. (in Russian)]
[11] Greer A.L. Grain refinement of alloys by inoculation of melts. Philosophical transactions of the Royal Society of London A: mathematical, physical and engineering sciences, 2003, 361(1804), 479-495.
